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Messen und Testen: AWG-Karten mit mehreren Kanälen und der Testaufbau

| Autor / Redakteur: Oliver Rovini und Arthur Pini* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

AWG-Karten mit acht Kanälen pro Karte helfen beim Testaufbau. Auf der Stimulus-Seite simulieren sie über ihre analogen und digitalen Ausgänge fehlende Systemkomponenten.

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Mehrkanal-AWGs und -Digitizer: Mit ihnen lassen sich eine Vielzahl von Problemen beim Testen von Geräten lösen, die Stimulus-
Response-Tests 
benötigen.
Mehrkanal-AWGs und -Digitizer: Mit ihnen lassen sich eine Vielzahl von Problemen beim Testen von Geräten lösen, die Stimulus-
Response-Tests 
benötigen.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Wer MIMO- (Mulit-Input-Multi-Output-)Systeme testet, muss sich vorher Gedanken über den Testaufbau machen. Ein herkömmliches Messinstrument bietet meist nur eine begrenzte Anzahl an Kanälen und eine geringe Kanaldichte. Abhilfe versprechen aktuelle Entwicklungen bei der modularen Messtechnik. Sie bieten mit ihren Signalgeneratoren und Digitizern eine hohe Kanalanzahl.

Außerdem lassen sich mehrere modulare Instrumente synchronisieren, so dass bis zu 128 synchrone Kanäle für die Signalquelle als auch für die Erfassung und Messung zur Verfügung stehen. So bietet Spectrum Instrumentation eine Serie von Arbitrary-Waveform-Generatoren (AWGs) und Digitizern mit bis zu acht analogen Kanälen pro PCIe-x4-Karte.

Die Länge pro Karte beträgt 168 mm. Anwender können bis zu 16 dieser Karten synchronisieren, wobei sich AWGs und Digitizer in einem System kombinieren lassen und bis zu 128 analoge Kanäle möglich sind. Der folgende Text beleuchtet den Arbitrary-Waveform-Generator M2p.6568-x4 mit acht Kanälen und 16 Bit.

Was ein AWG und ein Digitizer unterscheidet

Ganz grundsätzlich: AWGs sind digitale Signalquellen, die in umgekehrter Richtung wie ein Digitizer arbeiten. Während ein Digitizer ein analoges Signal abtastet, digitalisiert und dann in seinem Erfassungsspeicher bereitstellt, erhält der AWG eine numerische Beschreibung des Signals, die er in seinem Ausgabespeicher ablegen kann. Ausgewählte Abtastwerte des Signals werden an einen Digital-Analog-Wandler (DAC) gesendet und dann bei entsprechender Filterung und Signalverstärkung als analoges Signal ausgegeben.

Das Bild 1 enthält das Blockdiagramm des M2p.6568-x4 AWG. Der Signalverlauf wird in numerischer Form in den Speicher des AWG geladen. Wie der Erfassungsspeicher eines Digitizers muss dieser Ausgabespeicher mit der höchsten vom AWG unterstützten Abtastrate getaktet werden können. Auf Befehl wird der Inhalt des Speichers an den DAC gesendet, wo die digitalen Werte in eine analoge Spannung umgewandelt werden. Die hier beschriebenen AWGs können je nach Modell mit einer maximalen Abtastrate von 40 bis 125 MS/s arbeiten. Der Speichercontroller verfolgt jede Signalkomponente im Speicher und alle dazu gehörenden Verknüpfungen und gibt sie in der richtigen Reihenfolge aus.

Um Speicherplatz zu sparen, können sich wiederholende Komponenten geloopt werden, so dass diese Elemente nur einmal im Speicher abgelegt werden müssen. Es gibt insgesamt sieben verschiedene Betriebsmodi, um die Initiierung, Sequenzierung und Reihenfolge der im Speicher abgelegten Signalformen zu steuern und zu optimieren.

Auf dem Ausgang des DAC sind Oberwellen, die gefiltert werden müssen. Das erfolgt in der Ausgangsstufe, die das Signal filtert und konditioniert, indem die Verstärkungen und Offsets eingestellt und an die vom Benutzer gewünschten Spezifikationen angepasst werden.

Der AWG enthält vier wählbare Filter mit Grenzfrequenzen von 70, 20, 5 und 1 MHz. Das Timing der Signalform wird durch einen Takt gesteuert, der entweder über eine interne oder externe Taktquelle erfolgt. Alle Kanäle des AWG werden für eine einwandfreie Synchronisation über einen gemeinsamen Takt gesteuert. Verwaltet wird der Takt vom Triggergenerator, so dass das Signal bei einem benutzerdefinierten Ereignis ausgegeben oder vorgerückt wird. Triggerereignisse können intern oder extern sein, oder von einem anderen modularen AWG oder Digitizer stammen.

Bild 1: 
Das Blockschaltbild des 16-Bit-AWG mit acht Kanälen. Die numerischen Beschreibungen des im Speicher abgelegten Signals werden über einen D/A-Wandler ausgegeben, gefiltert und verstärkt an die analogen Ausgänge gegeben.
Bild 1: 
Das Blockschaltbild des 16-Bit-AWG mit acht Kanälen. Die numerischen Beschreibungen des im Speicher abgelegten Signals werden über einen D/A-Wandler ausgegeben, gefiltert und verstärkt an die analogen Ausgänge gegeben.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Optionales Aufsatzmodul für zusätzliche I/O-Leitungen

Es stehen vier digitale Eingangs- bzw. Ausgangsleitungen (I/O) als digitale Schnittstelle für Statusprüfung und Steuerung zur Verfügung. Ein optionales Aufsatzmodul bietet zusätzlich 16 zusätzliche digitale I/O-Leitungen (M2p.xxxx-DigFX2). Somit stehen neben den acht analogen Kanälen weitere 20 digitale Mehrzweck-Leitungen zur Verfügung. Mehrere Messkarten können ebenfalls einen gemeinsamen Takt verwenden. Mit dem optionalen Star-Hub-Modul können bis zu 16 Karten, sowohl AWGs als auch Digitizer, in einem System kombiniert werden.

Der Star-Hub verteilt die Takt- und Triggersignale auf alle angeschlossenen Karten und ermöglicht es dem Benutzer, Systeme mit bis zu 128 voll-synchronen analogen Kanälen zu erstellen. Dabei benötigt die 8-Kanal Digitizerkarte einen Slot, die 8-Kanal AWG-Karte wegen ihres Kühlkörpers zwei Slots. Da aktuelle PCs maximal 20 Steckplätze besitzen, können bei reinen AWG-Anwendungen maximal zehn AWG-Karten mit 80 Kanälen verwendet werden.

Signale bei Anwendungen mit mehreren Kanälen importieren

Bei biomedizinischen Messungen sind oft mehrere Sensoren notwendig. Deshalb sind beim Entwickeln und Testen von medizinischen Mehrkanalgeräten mehrere Signalquellen notwendig. Ein Standard-Elektrokardiogramm (EKG) verwendet zehn Signale, während ein Elektro-Enzephalograph (EEG) sogar 20 oder mehr Sensorelektroden aufweisen kann.

Bild 2: Biomedizinische Signale werden mithilfe von SBench 6 in einen AWG importiert. Der 16-Bit-AWG mit seinem Dynamikbereich reproduziert das Mikrovolt-Signal genau für das Debuggen oder Testen von EEG- oder EKG-Elektronik.
Bild 2: Biomedizinische Signale werden mithilfe von SBench 6 in einen AWG importiert. Der 16-Bit-AWG mit seinem Dynamikbereich reproduziert das Mikrovolt-Signal genau für das Debuggen oder Testen von EEG- oder EKG-Elektronik.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Wenn ein Digitizer oder Oszilloskop reale Daten aufnehmen soll, kann man eine Signalbibliothek zum Testen biomedizinischer elektronischer Geräte aufbauen. Für die Ausgabe solcher Signale im Mikrovolt-Bereich ist ein AWG mit großem Dynamikbereich und hoher Signalreinheit erforderlich. Der M2p.6568-x4 ist ein 16-Bit-AWG mit einem theoretischen Dynamikbereich von 65.535:1. Der AWG wird von der Software SBench 6 unterstützt. Sie importiert Signalformen aus ASCII-, Binär- und WAV-Formaten.

Das EKG-Signal wird beispielsweise aus einer Textdatei importiert und das EEG-Signal aus einer WAV-Datei (Bild 2). Der AWG gibt jedes Detail der importierten Signale so aus, als stamme es von einem Sensor. Diese Signale können an medizinische Instrumente angelegt und für Tests oder Kalibrierungen verwendet werden. Es gibt Bibliotheken ähnlicher biomedizinischer Signalformen, die öffentlich verfügbar sind und sich als Quellen verwenden lassen.

Wie sich Phased-Array-Systeme testen lassen

Bild 3: Durch veränderte Phaseneinstellungen des Ansteuerungsignals lässt sich die Wellenfront in bestimmte Richtungen lenken oder fokussieren.
Bild 3: Durch veränderte Phaseneinstellungen des Ansteuerungsignals lässt sich die Wellenfront in bestimmte Richtungen lenken oder fokussieren.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Antennen für HF-Signale oder Ultraschallwandler, die sogenannten Phased-Array-Systeme, sind eine übliche Form von MIMO-Systemen. Die Mehrkanal-AWGs stellen die erforderlichen Testsignale bereit und steuern zudem die ausgesendeten Signale. Ebenso unterstützt ein Mehrkanal-Digitizer den Empfang der übertragenen Signale. Die Grundelemente eines Ultraschall-Phased-Array-Übertragungssystems zeigt das Bild 3.

Das Signal eines Ultraschall-Schallwandler-Arrays lässt sich steuern, indem einzelne Übertragungssignale so angeordnet werden, dass sie sequentiell verzögert sind. Die von den Wandlern emittierten sphärischen Wellenfronten sind räumlich verzögert, wodurch das zusammengesetzte Signal nach unten gerichtet wird (Bild 3). Ähnlich lässt sich die Wellenfront in Richtung der Mitte fokussieren, wenn die Übertragungssignale von den Außenseiten des Arrays nach innen verzögert werden. Zusätzlich zu den Verzögerungen lässt sich die Signalamplitude anpassen, womit sich weitere Effekte bei der Ausbreitung der Gesamtwelle erzielen lassen.

Eine große Anzahl an Testsignalen

Bild 4: Der Gleichungseditor in SBench 6 erzeugt acht Ultraschallimpulse mit präzisen Zeitverzögerungen. Das Signal ist eine amplitudenmodulierte Kosinuswelle mit 40 kHz.
Bild 4: Der Gleichungseditor in SBench 6 erzeugt acht Ultraschallimpulse mit präzisen Zeitverzögerungen. Das Signal ist eine amplitudenmodulierte Kosinuswelle mit 40 kHz.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Anwender kontrollieren den AWG und das Timing der Signalform vollständig. Ultraschall-Arrays können über hundert Wandler enthalten und erfordern möglicherweise viele unabhängige Signalquellenkanäle und Digitizer. Die Signalfrequenzen reichen von einigen zehn Kilohertz bis zu einigen zehn Megahertz. Mit Bandbreiten von 20 bis 60 MHz eignet sich die Serie M2p.65xx für diese Anwendungen.

Mit dem Gleichungseditor lassen sich innerhalb der Software SBench 6 eine große Anzahl an Testsignalen erzeugen (Bild 4). Die einzelnen Signalformen sind amplitudenmodulierte Kosinuswellen mit 40 kHz. Jedes Signal ist gegenüber dem vorherigen um 25 µs verzögert. Die Modulationshüllkurve besteht aus einer summierten Rampe, die die Attack-Zeit steuert, und einem exponentiellen Element, das die Decay-Zeit bestimmt. Sie werden alle mit einer Frequenz von 10 MHz getaktet, wobei jede Signalform 16 Kilo-Samples des 512-MS-Speichers des AWG belegt. Ein großer Speicher ist wichtig, da er für eine fest vorgegebene Abtastrate die mögliche Dauer der analogen Ausgangssignale bestimmt.

Der Sequenzmodus teilt den Speicher auf

Bild 5: Manchester-codierte Daten können mithilfe einer Kombination aus drei Signalsegmenten synthetisiert werden. Das Segment 0 repräsentiert eine digitale 0, das Segment 1 repräsentiert eine digitale 1 und das Segment 2 repräsentiert einen neutralen Grundlinienwert.
Bild 5: Manchester-codierte Daten können mithilfe einer Kombination aus drei Signalsegmenten synthetisiert werden. Das Segment 0 repräsentiert eine digitale 0, das Segment 1 repräsentiert eine digitale 1 und das Segment 2 repräsentiert einen neutralen Grundlinienwert.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Neben SBench 6 werden alle Spectrum AWGs mit Treibern für Windows und Linux ausgeliefert. Anwender können eigene Software in den gängigen Programmiersprachen wie C/C ++, IVI, .NET, Delphi, Java und Python schreiben. Auch die Software von Drittanbietern wie LabVIEW für Windows und Matlab für Windows und Linux wird unterstützt.

In vielen Testszenarien ist es wünschenswert, Signalformen nahezu in Echtzeit ändern zu können. Ein Beispiel ist die Automobil-Branche, wo die simulierten Signale von Sensoren während eines Tests geändert werden müssen, um verschiedene Betriebssituationen zu testen. Die AWGs der M2p.65xx-Serie bieten einen Modus, um das zu ermöglichen: Mit dem Sequenzmodus wird der Speicher in mehrere Segmente aufgeteilt. In diesen Segmenten werden Signalteile gespeichert, sowie die gewünschten Ablaufanweisungen. Diese Anweisungen steuern die Reihenfolge, die Anzahl der Loops pro Signalteil und die Triggerbedingungen, die zum Weiterschalten von einem Segment zum nächsten verwendet werden. Alle diese Einstellungen können auch während des Betriebs geändert werden.

Das Bild 5 zeigt als Beispiel die Simulation eines PSI5-Sensors als Signalgeber für ein Motorsteuergerät, das getestet werden soll. PSI5 verwendet Manchester-codierte Daten.

Arbeiten mit Datenblöcken

Der Datenblock besteht aus drei Elementen, die darunter einzeln gezeigt werden. Segment 1 mit einem Übergang von hohem zu niedrigem Pegel repräsentiert den Datenwert 1. Das Segment 0 mit einem Übergang von niedrigem zu hohem Pegel repräsentiert den Datenwert 0. Segment 2 mit einem Gleichspannungspegel von 0 V repräsentiert die Basis. Das Basissignal markierte die Grenzen zwischen den Datenblöcken. Ein Basissignal, das länger als zwei Taktperioden dauert, zeigt das Ende eines Datenblocks an.

Ein Datenblock wird durch eine Kombination dieser drei Grundkomponenten gebildet. Wenn der Sequenzmodus des AWG aktiviert ist und diese drei Signalteile in separaten Segmenten gespeichert werden, können verschiedene Datenblöcke mithilfe der ebenfalls gespeicherten Ablaufanweisungen erzeugt werden.

Bild 6: Eine AWG-Sequenz mit vier verschiedenen PSI5-Nachrichten. Diese Meldungen werden nahezu in Echtzeit geändert, während der Test ausgeführt wird.
Bild 6: Eine AWG-Sequenz mit vier verschiedenen PSI5-Nachrichten. Diese Meldungen werden nahezu in Echtzeit geändert, während der Test ausgeführt wird.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Im folgenden Beispiel werden die Segmente auf eine Länge von 512 Samples mit einer Taktrate von 50 MS/s eingestellt, so dass die Dauer jeder Komponente 10,24 µs beträgt. Das ist die Taktperiode des Datenstroms. Das Signal besteht aus vierzehn Schritten, wobei nur die drei oben beschriebenen Komponenten verwendet werden. Mit einem Matlab-Skript und darin vier verschiedenen Sequenzreihenfolgen, lädt jedes eine andere Kombination von Segmenten.

Wenn der AWG unter diesem Skript arbeitet, werden vier verschiedene Datenmuster erzeugt. Der Inhalt des codierten Datenblocks ändert sich jedes Mal, wenn die alte Ablaufanweisung im Speicher durch eine neue Sequenz überschrieben wird. Das ist möglich, während der AWG Signale ausgibt, wodurch die Signalformen im laufenden Betrieb geändert werden. Die AWG-Ausgabe wurde von einem Digitizer erfasst, der die vier verschiedenen Datenpakete in Bild 6 zeigt.

Das Signal ganz oben im Bild 6 zeigt eine Vorschau der vier PSI5-Pakete, die seriell ausgegeben werden. Die vier unteren Spuren des Bildes zeigen den Dateninhalt jedes Blocks. Die ersten beiden Bits jedes Signals haben den digitalen Wert 0, der den Beginn eines Blocks darstellt. Der Inhalt der nächsten 10 Bits hängt von dem Muster ab, das durch die Ablaufanweisungen in der Software Matlab festgelegt wurde. Die simulierten Sensorsignale lassen sich noch während des Testlaufs ändern. Dies kann auf jedem der acht Kanäle des M2p.6568-x4 AWG erfolgen, wobei der Inhalt jedes Datenblocks unterschiedlich ist, was eine unterschiedliche Nachricht für das zu testende Motorsteuergerät darstellt.

Ein Fazit: Geräte testen, die einen Stimulus-Response benötigen

Mehrkanal-AWGs und -Digitizer lösen eine Vielzahl von Problemen beim Testen von Geräten, die Stimulus-Response-Tests benötigen. Insbesondere, wenn viele Ein- und Ausgänge erforderlich sind, vereinfachen modulare Messkarten mit acht Kanälen pro Karte das Testsetup. Auf der Stimulus-Seite können mehrere analoge und digitale Ausgänge verwendet werden, um fehlende Systemkomponenten zu simulieren oder viele Signale für das Debugging und die Kalibrierung des Systems darzustellen. Die Möglichkeit, Signalformen nahezu in Echtzeit zu ändern, ermöglicht dabei das interaktive, dynamische Testen von MIMO-Systemen.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Messtechnik, Sensorik und Test I der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

Lesetipps

* Oliver Rovini ist Technischer Leiter bei Spectrum Instrumentation in Grosshansdorf. Arthur Pini ist Ingenieur für Test & Measurement in New York/USA.

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